ترموکوپل چیست؟ کاربرد و انواع آن

ترموکوپل یکی از رایج ترین ابزارهای اندازه گیری، مخصوصا در دماهای بالاست. در واقع ترموکوپل (Thermocouple) نوعی مولد الکتریسیته است که با استفاده از ترموالکتریکی جریان الکتریکی ضعیفی ایجاد می کند.

اساس عملکرد ترموکوپل

ترموکوپل از دو فلز غیر همجنس مانند آهن و کنستانتان تشکیل شده است که بصورت الکتریکی ار یک طرف به هم وصل شده اند و در این نقطه اتصال گرم یا المان حسگر را بوجود آورده اند. اندازه گیری دما در نقطه اتصال گرم ترموکوپل صورت می گیرد که این نقطه در تماس با فرایند است. هرچند این نقطه اتصال گرم نامیده می شود ولی ممکن است ترموکوپل برای اندازه گیری دماهای زیر صفر هم استفاده شود و نقطه اتصال گرم در چنین دمایی قرار داده شود. اعمال حرارت به نقطه اتصال دو فلز در اتصال گرم، باعث ایجاد ولتاژ کوچکی بین دو فلز در طرف دیگر می شود. در این نقطه که به ترانسمیتر یا ولت متر وصل می شود اتصال مرجع یا سرد تشکیل می شود همانند شکل زیر. میزان ولتاژ تولید شده متناسب با میزان دما است.
رابطه بین ولتاژ حاصل و دما خطی نیست. دمای فرایند با توجه به مقدار ولتاژ حاصل، با خواندن از روی یک منحنی یا به وسیله جدول های ترموکوپل بدست می آید. در جدول های ترموکوپل، ولتاژهای مختلف مرتبط با هر دما لیست شده است و برای هر نوع ترموکوپل، یک جدول لازم است. از ترموکوپلها در ترمومتر تماسی نیز استفاده می شود. در تجهیزات مبتنی بر میکروپروسسور عملیات تبدیل بر اساس اطلاعات ذخیره شده در تجهیز انجام می شود.

انواع ترموکوپل

براساس ترکیب های ممکن از فلزها، می توان تعداد بی شماری ترموکوپل ساخت، ولی در عمل تعداد ترموکوپل ها مشخص و محدود است. مشخصه های لازم برای به کارگیری فلز در ساخت ترموکوپل عبارتند از:
• نقطه ذوب فلز
• واکنش نسبت به تغییر شرایط اتمسفر
• خروجی ترموالکتریکی در ترکیب با دیگر فلزات
• میزان هدایت الکتریکی فلز، در مقابل مقاومت الکتریکی آن
• پایداری
• تکرارپذیری
• هزینه
• ساخت و به کارگیری آسان

ترموکوپل های استاندارد عبارتند از:

ترموکوپل نوع E : کرومل و کنستانتان (Chromel and Constantan)
ترموکوپل نوع J : آهن و کنستانتان (Iron and Constantan)
ترموکوپل نوع T : کرومل و کنستانتان (Copper and Constantan)
ترموکوپل نوع K : کرومل و آلومل (Chromel and Alumel)
ترموکوپل نوع N : نیکروسیل و نیسیل (Nicrosil and Nisil)
ترموکوپل نوع B,R,S : پلاتین و رودیوم (Platinum and Rhodium)

نوع E
ترموکوپل های نوع E عمومیت بیشتری دارند زیرا دارای بزرگترین خروجی ولتاژ هستند و می توانند در محدوده وسیع دمایی استفاده شوند. ویژگی دیگر این نوع، غیر مغناطیسی بودن فلزهای بکار رفته در آن است.

نوع J
ترموکوپل های نوع J اولین ترموکوپل هایی هستند که در محدوده وسیع دمایی استفاده می شدند. مواد به کار رفته در آنها سخت و نیرومند است ولی از آنجا که آهن، به خصوص در دماهای بالا با مشکل اکسید شدن مواجه است و ممکن است به طور دایمی از وضعیت کالیبره خارج شود، ترموکوپل های نوع J در دماهای بالاتر از 760 0C استفاده نمی شوند. این ترموکوپل ها همچنان یکی از رایجترین انواع ترموکوپل های مورد استفاده هستند.

نوع T
ترموکوپل های نوع T عموما در دماهای خیلی پایین استفاده می شوند و در برابر رطوبت بسیار بالای محیط مقاوم هستند.

نوع K
ترموکوپل های نوع K معمولا برای کاربردهایی که دمای بالایی دارند استفاده می شوند این ترموکوپل ها ارزان هستند و محدوده دمایی وسیعی را می پوشانند. ترموکوپل های نوع K رایجترین نوع ترموکوپل در محیط های صنعتی هستند. به عنوان یک قاعده کلی همیشه از ترموکوپل های K استفاده می شود مگر آنکه دلیل خوبی برای استفاده نکردن از آن وجود داشته باشد.

نوع N
ترموکوپل های نوع N دارای پایداری و مقاومت بالا در برابر اکسید شدن در دماهای بالا هستند. این ترموکوپل برای اندازه گیری دماهای بالا بدون صرف هزینه لازم برای ترموکوپل های نوع S، R یا B و از طرفی داشتن حساسیت بیشتر مفید است. ترموکوپل نوع N را می توان توسعه یافته نوع K دانست که در حال عمومیت یافتن است.

نوع B,R,S
ترموکوپل های نوع B,R,S برای اندازه گیری دماهای خیلی بالا مفیبد هستند. این ترموکوپل ها از آلیاژ پلاتین و رودیوم ساخته می شوند و تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنها است. همچنین این ترموکوپل ها حساسیت پایینی دارند و چون از آلیاژ پلاتین ساخته می شوند گران قیمت هستند. به دلیل حساسیت پایین و قیمت بالا از این ترموکوپل ها فقط در دماهای بالا که ترموکوپل های دیگر به درستی کار نمی کنند، استفاده می شود. ترموکوپل های نوع R و S تا دمای 1600 0C را اندازه گیری می کنند و ترموکوپل های نوع B تا دمای 1800 0C را اندازه گیری می کنند.

چه چیزی می تواند در ترموکوپل باعث خطا شود؟

چند مورد در مورد ترموکوپل ها وجود دارد که اشتباه عمل می کند و از عملکرد صحیح ترموکوپل جلوگیری می کند. یکی از رایج ترین مسائل این است که ترموکوپل می تواند کثیف شود. این امر باعث می شود که ترموکوپل قرائت نادرست انجام دهد ، که می تواند گازرسانی به کوره شما را به صورت زودرس خاموش کند یا در وهله اول از ورود گاز به کوره شما جلوگیری کند. علاوه بر این ، سیم ها می توانند شل شوند یا ممکن است ترموکوپل مجدداً مورد استفاده قرار گیرد. با تغییر فیلتر هوا و برنامه ریزی سالانه تنظیم صدای سالانه ، بسیاری از این موارد قابل پیشگیری هستند.
لازم به ذکر است که ترموکوپل ها طوری طراحی نشده اند که به مدت طولانی کوره ای که در آن نصب شده است دوام بیاورد ، بنابراین آنها نیاز به تعویض دوره ای دارند. به همین دلیل بسیار مهم است که هر سال تنظیم کوره تنظیم کنید تا بتوانیم به محض اینکه کار را متوقف کند ، ترموکوپل شما را جایگزین کنیم.